3.2.1 Các thiết bị điện trong hệ thống
Giới thiệu chung PLC:
PLC là các chữ được viết tắt từ “ Programmable Logic Controller “. Theo hiệp hội quốc gia về sản xuất điện Hoa Kỳ thì PLC là một thiết bị điều khiển mà được trang bị các chức năng logic, tạo dãy xung, đếm thời gian, đếm xung và tính toán cho phép điều khiển nhiều loại máy móc và các bộ xử lý. Các chức năng đó được đặt trong bộ nhớ mà tạo lập sắp xếp theo chương trình. Khái niệm ngắn gọn hơn, PLC là một máy tính công nghiệp để thực hiện một dãy quá trình.
PLC được sử dụng để điều khiển dây chuyền, thiết bị công nghiệp riêng lẻ (Rơ-le, timer, contactor ...) hoặc kết hợp với nhau tuỳ theo mức độ yêu cầu thành một hệ thống điện điều khiển đáp ứng được bài toán công nghệ đặt ra.
Hình 3.22 Cấu trúc bộ điều khiển PLC
Những ưu việt khi sử dụng bộ điều khiển PLC:
- Là bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán điều khiển. - Có khả năng mở rộng các module vào ra khi cần thiết.
- Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu thích hợp với nhiều đối tượng lập trình. - Có khả năng chống nhiễu với độ tin cậy cao và có rất nhiều ưu điểm khác.
- Có khả năng truyền thông đó là trao đổi thông tin với môi trường xung quanh như với máy tính, các PLC khác, các thiết bị giám sát, điều khiển...
- Hiện nay trên thế giới có nhiều hãng PLC khác nhau cùng phát triển như hãng Omron, Misubishi, Hitachi, ABB, Siemens,...đều có chung một nguyên lý cơ bản, tuy nhiên có vài điểm khác biệt phù hợp với từng ngành.
- Nguyên lý hoạt động:
Trạng thái ngõ vào của PLC được phát hiện và được lưu vào bộ nhớ đệm, (bộ nhớ trong PLC gồm các thành phần như sau: ROM, EPROM, EEOROM PLC) thực hiện các lệnh logic trên các trạng thái của chúng và thông qua chương trình trạng thái, ngõ ra được cập nhật và lưu vào bộ nhớ đệm. Sau đó, trạng thái ngõ ra trong bộ nhớ đệm được dùng để đóng/mở các tiếp điểm kích
hoạt các thiết bị tương ứng. Như vậy, tất cả hoạt động của các thiết bị được điều khiển hoàn toàn tự động theo chương trình trong bộ nhớ. Chương trình được truyền nạp vào PLC thông qua những thiết bị lập trình chuyên dụng.
- Hiện nay tại Việt Nam, phổ biến và thông dụng nhất về PLC là của hai hãng Siemens và Mitsubishi. Thông qua tìm hiểu trên internet về hai hãng trên, cùng với các loại PLC phổ biến trên thị trường, nhóm chúng em quyết định sử dụng PLC S7-200 CPU 222 DC/DC/DC của hãng Siemens cùng với thông số và lí do dưới đây.
PLC S7-200 CPU 222 6ES7212-1AB23-0XB0
Hình 3.23 PLC S7-200 CPU 222 6ES7212-1AB23-0XB
Các thông số kĩ thuật cơ bản: - Số lượng Input: 8
- Số lượng Output: 6
- Nguồn cấp: 24VDC + 20%-30%.
- Tốc độ truyền: 9600 (với máy tính ) và 38400 (với các thiết bị khác). - Kích thước: 90 x 80 x 62
- Hàm PID với tính năng tự động xác định thông số điều khiển (auto-tune funtionality).
- Sử dụng truyền thông RS232, RS485 để giao tiếp:
Kết nối với máy tính.
Màn hình HMI.
Tích hợp sẵn 1 cổng MPI hỗ trợ truyền thông với các trạm plc S7-
300, S7-400… để tạo nên 1 hệ thống tự động hoá. Lí do chọn thiết bị:
Sự ra đời và lớn mạnh của bộ điều khiển PLC đã làm thay đổi hẳn hệ thống chu trình điều khiển cũng như các khái niệm thiết kế mạch điện. Với các ưu điểm sau, nhóm em sử dụng PLC S7 200 CPU 222 để ứng dụng vào mô hình: - Đủ số lượng đầu vào, đầu ra để điều khiển hệ thống (Có các cổng I/O để trống trong trường hợp cần nâng cấp hoặc thay đổi hệ thống).
- Chi phí phù hợp, không quá đắt để làm mô hình.
- Tích hợp nhiều số lượng relay, timer, giảm đáng kể việc đấu nối thiết bị. - Công suất tiêu thụ của bộ điều khiển nhỏ.
- Có khả năng phát hiện lỗi của hệ điều khiển nhanh chóng. - Số lượng cái tiếp điểm trong chương trình là không giới hạn.
- Đáp ứng nhanh và hiệu quả nhờ chu kỳ quét của chương trình chỉ mất vài ms.
- Có thể dễ dàng kết nối với các thiết bị ngoại vi khác: máy tính, mạng internet, module mở rộng.
- Có thể sử dụng các loại code khác nhau như: ladder, SFC, FBD,… Chức năng trong hệ thống:
- Nhận tín hiệu từ các cảm biến tiệm cận.
- Giao tiếp với Arduino thông qua GPIO để nhận biết màu. - Điều khiển động cơ băng tải và các xylanh.
- Module mở rộng EM223DC-Relay 222-1HF22-0XA0
Hình 3.24 Module ngõ ra EM223DC-Relay 222-1HF22-0XA0
- Chức năng trong hệ thống: Thêm ngõ vào ra cho PLC S7-200.
Giới thiệu chung vi xử lý:
Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một chip, nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử. Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các module vào/ra, các module biến đổi số sang tương tự và tương tự sang số,... Ở máy tính thì các module thường được xây dựng bởi các chip và mạch ngoài.
Hình 3.25 Vi điều khiển ATEMEGA 328P
Vi điều khiển thường được dùng để xây dựng các hệ thống nhúng. Nó xuất hiện khá nhiều trong các thiết bị điện, điện tử, máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD, thiết bị đa phương tiện, dây chuyền tự động,...
Để hệ thống đọc được dữ liệu thu thập từ cảm biến và gửi lệnh điều khiển đến các cơ cấu chấp hành thì cần có một vi điều khiển thực hiện xử lí các thông tin trên. Áp dụng vào đồ án, nhóm lựa chọn dòng kit điều khiển Arduino được tích hợp vi điều khiển Atemega328P nhằm dễ dàng thực hiện các hoạt động như mong muốn của người lập trình.
Arduino Uno R3
Arduino Uno R3 là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, một nền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P.
Thông số kỹ thuật:
Chíp ATMEGA328P-PU Nguồn Cấp : 7-12V
Dòng Max chân 5V : 500mA Dòng Max 3.3V : 50mA Dòng Max Chân I/O : 30mA
14 Chân Digital I/O (6 chân PWM) 6 Chân Analog Inputs
32k Flash Memory 16Mhz Clock Speed SRAM 2 KB
EEPROM 1 KB
Đèn LED : Arduino Uno đi kèm với đèn LED tích hợp được kết nối thông qua chân 13. Cung cấp mức logic HIGH tương ứng ON và LOW tương ứng tắt. Vin : Đây là điện áp đầu vào được cung cấp cho board mạch Arduino. Khác với 5V được cung cấp qua cổng USB. Pin này được sử dụng để cung cấp điện áp toàn mạch thông qua jack nguồn, thông thường khoảng 7- 12VDC
5V : Chân 5V được sử dụng để cung cấp điện áp đầu ra. Arduino được cấp nguồn bằng ba cách đó là USB, chân Vin của bo mạch hoặc giắc nguồn DC.
USB : Hỗ trợ điện áp khoảng 5V trong khi Vin và Power Jack hỗ trợ dải điện áp trong khoảng từ 7V đến 20V.
GND : Chân mass chung cho toàn mạch Arduino Reset : Chân reset để thiết lập lại về ban đầu
IOREF : Chân này rất hữu ích để cung cấp tham chiếu điện áp cho Arduino
PWM : PWM được cung cấp bởi các chân 3,5,6,9,10, 11. Các chân này được cấu hình để cung cấp PWM đầu ra 8 bit.
SPI : Chân này được gọi là giao diện ngoại vi nối tiếp. Các chân 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) cung cấp liên lạc SPI với sự trợ giúp của thư viện SPI.
AREF : Chân này được gọi là tham chiếu tương tự, được sử dụng để cung cấp điện áp tham chiếu cho các đầu vào tương tự.
TWI : Chân Giao tiếp TWI được truy cập thông qua thư viện dây. Chân A4 và A5 được sử dụng cho mục đích này.
Serial Communication :Giao tiếp nối tiếp được thực hiện thông qua hai chân 0 (Rx) và 1 (Tx).
Rx : Chân này được sử dụng để nhận dữ liệu trong khi chân Tx được sử dụng để truyền dữ liệu.
External Interrupts (Ngắt ngoài) : Chân 2 và 3 được sử dụng để cung cấp các ngắt ngoài.
- Có các tính năng khả trình và tương tác giao tiếp với môi trường thực tiễn thông qua các loại cảm biến điện tử, đèn, động cơ,...
Arduino là một nền tảng nguồn mở được sử dụng để xây dựng các dự án điện tử. Arduino bao gồm cả bảng mạch lập trình vật lý (thường được gọi là vi điều khiển) và một phần mềm hoặc IDE (Môi trường phát triển tích hợp) chạy trên máy tính của bạn, được sử dụng để viết và tải mã máy tính lên bảng vật lý. Ngoài ra, Arduino IDE sử dụng phiên bản đơn giản hóa của C ++ cùng với những thư viện có sẵn, giúp việc học lập trình dễ dàng hơn. Cuối cùng, Arduino cung cấp một yếu tố hình thức tiêu chuẩn phá vỡ các chức năng của bộ điều khiển vi mô thành một gói dễ tiếp cận hơn.
Với các ưu điểm sau, nhóm em sử dụng Arduino Uno R3 để ứng dụng vào mô hình:
- Đủ số lượng đầu vào, đầu ra để điều khiển hệ thống (Có các cổng I/O để trống trong trường hợp cần nâng cấp hoặc thay đổi hệ thống).
- Chi phí rẻ, dễ dàng thay thế khi có hỏng hóc. - Công suất tiêu thụ của bộ điều khiển nhỏ.
- Đáp ứng nhanh và hiệu quả nhờ chu kỳ quét của chương trình chỉ mất vài ms.
- Có thể dễ dàng kết nối với các thiết bị ngoại vi khác: máy tính, mạng internet, module mở rộng.
- Sử dụng nền tảng C/C++, dễ sử dụng với người dùng. Chức năng trong hệ thống:
- Nhận và phân tích tín hiệu trả về từ cảm biến màu sắc.
- Gửi tín hiệu phân biệt màu sắc đến PLC thông qua relay trung gian
Module Relay 5V – 4 kênh
Module Relay 4 kênh 5V gồm 4 relay , điện áp hoạt động 5 v điều khiển đầu ra tối đa 220VAC/10A và 30VDC/10A. Đầu vào IN1, IN2, IN3 IN4 nhận
tín hiệu cực thấp.
Module relay 4 kênh nhỏ thiết kế gọn chuyên nghiệp , khả năng chống nhiễu tốt và khả năng cách điện tốt. Có sẵn header rất tiện dụng khi kết nối với vi điều khiển. Có các lỗ bắt vít rất tiện lợi dễ lắp đặt trong hệ thống mạch. Trong module đã có sẵn mạch kích relay sử dụng IC cách ly quang và transistor giúp cách ly hoàn toàn mạch vi điều khiển với rơ le bảo đảm vi điều khiển hoạt động ổn định.
Mạch điều khiển relay 4 kênh sử dụng chân kích mức Thấp (0V): khi có tín hiệu 0V vào chân IN thì relay sẽ nhảy qua thường Mở của Relay.
Hình 3.27 Module Relay 5-24V
Các thông số kĩ thuật cơ bản:
Kích thước: 76mm (chiều dài) * 56mm (chiều rộng) * 18.5mm (H)
Trọng lượng: 61g
Màu sắc: Xanh
4 lỗ để bắt vít cố định có đường kính 3.1mm, dễ dàng lắp đặt trong
hệ thống mạch
Opto cách li, chống nhiễu tốt
Sử dụng điện áp nuôi DC 5V.
Đầu ra điện thê đóng ngắt tối đa: DC 30V / 10A, AC 250V / 10A
IN1…IN4: tín hiệu đầu vào, hoạt động mức thấp
NO1…NO4: Công tắc thường mở
Chức năng trong hệ thống:
- Nhận tín hiệu từ cảm biến quang tiệm cận dựa theo vị trí của vật.
- Sử dụng các tiếp điểm để đóng ngắt điện áp 24VDC đưa vào input PLC.
Van điện từ KV140-4E
Hình 3.28 Van điện từ KV140-4E
Các thông số kĩ thuật cơ bản: - Nguồn cấp: 24VDC.
- Dòng điện: 120mA. - Công suất: 3W.
- Áp suất hoạt động: 0,15-0,8 Mpa. - Loại van 5 cửa 2 vị trí.
- Sử dụng cuộn coil để kích từ và có độ bền cao. Chức năng trong hệ thống:
Nguồn tổ ong
Hình 3.29 Nguồn tổ ong 24V
Các thông số kĩ thuật cơ bản:
- Nguồn cấp: 110-245 VAC 50/60Hz. - Điện áp và dòng ra: 24V
- Công suất: 240W.
- Kích thước: 200mm x 110mm x 50mm - Có chiết áp để điều chỉnh .
- Bảo vệ quá tải ngõ ra (tự động ngắt và reset). - Bảo vệ quá áp.
Chức năng trong hệ thống:
Module BUCK LM2596
Hình 3.30 Module BUCK LM2596
Các thông số kĩ thuật cơ bản: - Nguồn cấp: 3-40VDC. - Điện áp ra: 1,5 – 35VDC. - Dòng ra: 3A.
- Điều chỉnh điện áp bằng biến trở. - Hiệu suất: 92%.
Chức năng trong hệ thống:
- Làm nguồn cấp cho động cơ băng tải.
Aptomat Vanlock 2 pha BH-D6
Hình 3.31 Aptomat Vanlock 2 pha BH-D6
- Số cực: 2. - Dòng điện: 6A.
- Dòng cắt ngắn mạch: 6kA. Chức năng trong hệ thống:
- Đóng cắt vật lý nguồn điện 2 pha trong mạch lực.
Adapter 5V 1A
Hình 3.32 Adapter 5V 1A
Các thông số kĩ thuật cơ bản:
- Nguồn cấp: 110-240VAC 50/60Hz. - Điện áp ra: 5VDC.
- Dòng ra: 1A.
- Chiều dài dây: 1,2m. - Hiệu suất: 92%.
Chức năng trong hệ thống:
- Làm nguồn cấp cho các linh kiện Arduino và cảm biến.
3.2.2 Lập trình Arduino
Khi hệ thống hoạt động, nguồn điện sẽ được cấp cho động cơ, truyền chuyển động cho băng chuyền, bắt đầu đưa phôi vào băng tải. Dựa vào tín hiệu từ cảm biến màu sắc, phân biệt màu của các sản phẩm. Khi đến vị trị cần đẩy
vật, cảm biến tiệm cận dưới xylanh piston sẽ đẩy sản phẩm ra băng chuyền. Trên băng chuyền sẽ thiết kế để có thể thêm những cảm biến khác nhau nhận biết màu sắc, độ cao khác nhau nếu cần thay đổi về mặt công nghệ. Khi sản phẩm đi qua cảm biến nhận biết và gửi tín hiệu về cho Arduino và PLC xử lý. Từ đó PLC đưa ra tín hiệu điều khiển các rơ le điều khiển van đảo chiều tác động làm piston đẩy từng sản phẩm có màu sắc, độ cao, chất liệu khác nhau vào nơi chứa riêng biệt.
Giới thiệu và cấu hình
Arduino IDE là một môi trường phát triển tích hợp mã nguồn mở, cho phép người dùng dễ dàng viết code và tải nó lên board mạch, được viết bằng Java dựa trên ngôn ngữ lập trình và các phần mềm mã nguồn mở khác.
Hình 3.33 Phần mềm Arduino
Ngôn ngữ chính được sử dụng trong Arduino là C và C++. Do đó phần mềm phù hợp với những người dùng quen thuộc với laoij ngôn ngữ này.
Ngoài ra, phần mêm gồm những mảng thư viện phong phú nhưL EEPROM, Firmata, Servo,... và các mảng thư viện ngày càng đa dạng nhờ sự đóng góp của cộng đồng Arduino trên toàn thế giới. Đó cũng là lý do Arduino IDE được sử dụng rộng rãi, nhất là đối với sinh viên vì khả năng dễ tiếp cận và học hỏi.
Hình 3.34 Giao diện phần mềm Arduino
Trong mô hình này, nhóm chúng em sử dụng Arduino Uno để làm bộ điều khiển nên trước tiên, phải cấu hình thông số phù hợp của phần mềm với board Arduino Uno để có thể tiến hành kết nối và nạp code thông qua máy tính.
Hình 3.36 Chọn loại vi điều khiển và cách nạp code
Hình 3.37 Chọn cổng COM để giao tiếp với máy tính
Khi đã cấu hình xong, tiến hành viết và nạp code vào board Arduino Uno để thực hiện chương trình.
3.2.3 Thiết kế mạch điện PLC
o Sơ đồ đấu dây
Hình 3.39 Sơ đồ đấu nối dây đầu vào PLC